CN114151211A - 双燃料喷射器和使双燃料喷射器的沉积物减少的方法 - Google Patents

双燃料喷射器和使双燃料喷射器的沉积物减少的方法 Download PDF

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Abstract

提供一种使双燃料喷射器的沉积物减少的方法，双燃料喷射器将气体燃料经气体燃料孔直接引入燃烧室并将液体燃料经液体燃料孔直接引入内燃发动机的燃烧室，该方法包括以下至少一者：a)将液体燃料孔的长度减少显示出沉积物的积聚高于预定阈值的原有液体燃料孔的原有长度的10％至50％；b)使液体燃料孔具有向内地且大致线性地渐缩的轮廓；c)判定需要沉积物减少；并执行以下使沉积物减少的技术中的至少一者：i)增加液体燃料喷射压力，由此使得在燃料喷射期间沉积物的积聚得以减少；以及ii)降低液体燃料温度，由此使得沉积物积聚的速率得以降低；液体燃料孔和气体燃料孔中至少一者中的沉积物的积聚减少至预定水平以下。还提供一种双燃料喷射器。

Description

双燃料喷射器和使双燃料喷射器的沉积物减少的方法
本申请是申请日为2016年08月26日、申请号为201680062630.9、名称为“用于使气体燃料喷射器的沉积物减少的技术”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本申请涉及使在内燃发动机中使用的燃料喷射器的沉积物减少的技术、特别是使双燃料喷射器的沉积物减少的技术。
背景技术
高压直喷(HPDI)是一种用于下述内燃发动机的技术，其中气体燃料在压缩冲程后期被引入燃烧室并以分层燃烧模式燃烧。HPDI技术提供的扭矩性能与燃烧柴油燃料的内燃发动机领域的现有技术水平相当，并且与这些柴油发动机相比，其排放物减少并且燃料供应成本更低。本文所使用的气体燃料是在标准温度和压力下处于气体状态的任何燃料，在本申请的背景中，标准温度和压力为20摄氏度(℃)和1大气压(ATM)。在HPDI发动机中使用的典型的气体燃料为天然气。天然气为多种气体的合成物，其主要成分为甲烷，其中甲烷的摩尔分数通常可以在70％至90％之间变化。除天然气和甲烷燃料外，其他气体燃料包括丙烷、丁烷、氢气、乙烷、沼气及其混合物。在常规的柴油燃料发动机中，燃料在压缩冲程期间通过燃烧室中建立的压力和温度点燃，这被称作压缩点火。甲烷是一种不易被压缩点燃的具有相对较高的辛烷值、低十六烷值的燃料(与具有相对较低的辛烷值、高十六烷值的柴油燃料不同)。通常使用引燃燃料来点燃HPDI发动机中的气体燃料。引燃燃料在压缩冲程后期、气体燃料喷射之前、喷射期间和/或喷射之后被引入，并且被压缩点燃；并且引燃燃料的燃烧建立了适于点燃气体燃料的压力和温度环境。一种示例性的引燃燃料为柴油燃料。将气体燃料和引燃燃料二者直接喷射到轻型、中型和重型内燃发动机的燃烧室中很有挑战性。为了改善点燃和燃烧性能，将气体燃料射流与相应的引燃燃料射流对齐是有利的。然而，多种因素结合在一起使得气缸盖中几乎没有空间来放置各个单独的气体燃料喷射器和引燃燃料喷射器。与各个单独的燃料喷射器相比，相对彼此各自独立地引入引燃燃料和气体燃料二者的同心针式燃料喷射器在气缸盖中占据更小的面积，并且允许气体燃料射流和引燃燃料射流之间的对称量增加。集成的并排式燃料喷射器与各个单独的燃料喷射器相比同样占据更小的面积，尽管与同心针式燃料喷射器相比其占据更大的面积，但在某些应用中其所占面积是可以接受的。如在本文中所使用的，引入液体燃料和气体燃料的双燃料喷射器包括同心针式燃料喷射器以及并排式燃料喷射器二者。液体燃料为在标准温度和压力下处于液态的任何燃料，包括柴油、二甲醚、生物柴油、煤油以及船用柴油(DFM)。
已经发现，使用新的且此前未使用过的双燃料喷射器运行的内燃发动机在初始磨合期遭受扭矩损失，这之后扭矩损失速率大幅下降。也就是说，在没有任何补偿因素的情况下，发动机在特定的指定燃料供应量下的的扭矩输出在磨合期内下降。如在本文中所使用的，磨合期定义为当新的燃料喷射器以预先限定的发动机负荷和速度运行时、或者当其替代地以预定的操作周期运行时、转矩损失速率降低到预定值、优选为零、所用的时间量。特征性在于，磨合期可以根据发动机映射中的燃料喷射器所使用的部分而改变。参照图1，曲线10示出了使用双燃料喷射器的发动机系统的扭矩曲线，其中该双燃料喷射器未使用使沉积物积聚的减少技术。在时间T1后，由于沉积物的积聚，发动机的扭矩已从标称值降低到稳定值扭矩TR1。随着发动机的运转，沉积物形成于引入液体燃料和气体燃料的喷嘴孔上，因此减小各个孔的横截面流动面积。随着沉积物的积聚，流经这些喷嘴孔的燃料的质量流率降低，使得在任何给定喷射压力下、在给定喷射最佳时段期间，所喷射的燃料的总量减少。这导致燃烧放热减少以及随之而来的扭矩损失。此外，取决于特定的燃料喷射器和应用，沉积物可能在磨合期之后继续积聚，导致性能随时间经过而进一步下降。
本领域现有技术缺乏用于减少引入液体燃料和/或气体燃料的燃料喷射器中沉积物积聚的影响的技术。本发明的方法和设备提供了用于减少在内燃发动机中使用的燃料喷射器中的沉积物的技术。
发明内容
一种使气体燃料喷射器中的沉积物减少的改进方法，所述气体燃料喷射器经气体燃料孔将气体燃料直接引入内燃发动机的燃烧室中，该方法包括以下至少一者：a)将气体燃料孔的长度减少显示出沉积物的积聚高于预定阈值的原有气体燃料孔的原有长度的大致10％至50％；b)使气体燃料孔具有向内地且大致线性地渐缩的轮廓；c)判定需要沉积物减少，并执行以下沉积物减少技术中的至少一者：i)增加气体燃料喷射压力，由此使得沉积物的积聚在燃料喷射期间得以减少；和ii)降低气体燃料温度，由此使得沉积物积聚的速率降低；以及d)在内燃发动机停机期间，喷射压缩空气穿过气体燃料孔；其中，因气体燃料孔中的沉积物积聚而引起的内燃发动机中的扭矩损失降低到预定值以下。
在示例性实施例中，气体燃料喷射器为同样将液体燃料经液体燃料孔直接引入燃烧室的双燃料喷射器。该方法进一步包括以下至少一者：a)将液体燃料孔的长度减少显示出沉积物的积聚高于预定阈值的原有气体燃料孔的原有长度的大致10％至50％；b)使液体燃料孔具有向内地且大致线性地渐缩的轮廓；c)判定需要使沉积物减少，并执行以下沉积物减少技术中的至少一者：i)增加液体燃料喷射压力，由此使得在燃料喷射期间沉积物的积聚得以减少；以及ii)降低液体燃料温度，由此使得沉积物积聚的速率降低。
一种用于将气体燃料直接引入内燃发动机的燃烧室的改进的气体燃料喷射器，包括气体燃料喷射阀；气体燃料孔，所述气体燃料孔在气体燃料喷射阀下游的第一室与气体燃料喷射器的外侧之间延伸；其特征在于以下沉积物减少特征中至少一者：(a)将气体燃料孔的长度减少大致原有气体燃料孔长度的10％至50％；以及(b)气体燃料孔包括向内地且大致线性地渐缩的轮廓；由此，因气体燃料孔中沉积物的积聚而引起的内燃发动机中的扭矩损失降低到预定值以下。
在示例性实施例中，气体燃料喷射器为同样将液体燃料引入燃烧室的双燃料喷射器。气体燃料喷射器还包括液体燃料喷射阀和液体燃料孔，该液体燃料孔在液体燃料喷射阀下游的第二室与双燃料喷射器的外侧之间延伸，其特征在于以下沉积物减少特征中的至少一者：(a)液体燃料孔的长度减少大致原有液体燃料孔长度的大致10％至50％；以及(b)液体燃料孔包括向内地且大致线性地渐缩的轮廓。
一种使内燃发动机的燃料喷射器的沉积物减少的改进方法，包括用涂层涂覆喷嘴、喷嘴孔和阀构件中至少一者，所述涂层为以下至少一者：(a)氟硅烷基涂层；(b)包含氧化铈、镧系元素氧化物、过渡金属和过渡金属氧化物中至少一者的催化涂层；以及(c)包含促进形成多孔结构的沉积物成核位点的催化涂层。
对于使得将液体燃料和气体燃料分别独立地引入的双燃料喷射器的沉积物减少的技术，可以选择性地并且独立于本文所描述的其他减少方法地采用另一种方法。该方法包括将液体燃料与添加剂混合，使得气体燃料喷嘴孔中沉积物的积聚减少。类似地，对于仅将气体燃料经气体燃料喷嘴孔引入并且由液压流体液压地致动的气体燃料喷射器的沉积物减少，可以选择性地并且独立于本文所描述的其他减少方法地采用包括使液压流体与添加剂混合使得气体燃料喷嘴孔中沉积物的积聚减少的方法。
附图说明
图1示出了未使用沉积物积聚减少技术和使用了沉积物积聚减少技术的发动机的扭矩曲线；
图2是根据一个实施例的用于内燃发动机的液体和气体燃料系统的示意图；
图3是图2的内燃发动机中的双燃料喷射器的喷嘴的示意图；
图4和图5分别是根据一实施例的减少沉积物积聚影响的图3的喷嘴中的气体燃料孔和液体燃料孔的横截面图；
图6是根据另一实施例的用于减少图3的双燃料喷射器的孔中的沉积物积聚的方法的流程图；
图7是根据另一实施例的用于减少图3的双燃料喷射器的孔中的沉积物积聚的方法的流程图；
图8是根据一个实施例的可以调节液体燃料和气体燃料的温度的燃料系统的示意图。
具体实施方式
参照图2，根据一个实施例示出了用于向内燃发动机110供应燃料的燃料系统设备100。泵送设备120对来自于液体燃料储存容器130的液体燃料进行加压，并将已加压的液体燃料输送到燃料压力施偏设备140。除了本领域技术人员已知的其它燃料系统部件以外，泵送设备120还可以包括进口计量阀、共轨泵和位于液体燃料储存容器130中的输送泵。泵送设备150对来自于超低温储存容器160的气体燃料进行加压，并经热交换设备170将其输送到燃料压力施偏设备140，气体燃料的焓在热交换设备170处得以增加。气体燃料以液化形式储存在超低温储存容器160中，使得泵送设备150为超低温泵送设备，并且气体燃料在热交换设备170的下游与容器160之间从液态变为气态或超临界态。虽然示出的泵送设备150和热交换设备170位于超低温储存容器160之外，但正如熟悉该技术的技术人员所已知的，泵送设备可以单独地或与热交换设备结合地全部或部分地定位于超低温储存容器内。热交换设备170可以使用发动机冷却剂作为热交换介质，发动机冷却剂分别经管道180和190从发动机110中流体地传送出来或流体地传送到发动机110。利用切断阀200来在内燃发动机停机时将热交换设备170与下游燃料系统分离开。蓄积器210储存预定体积的加压且气化的气体燃料以备对内燃发动机的燃料的不时之需，蓄积器210可以是容器或被适当定大小的管道系统。利用燃料压力施偏设备140来将液体燃料轨道220中的液体燃料压力保持在气体燃料轨道230中的气体燃料压力的预定范围内，这对于双燃料喷射器240的正常运行而言是必需的。2001年10月9日授予Douville等人并由本申请人共同所有的美国专利第6,298,833号公开了可在此处使用的燃料压力施偏设备140的多种实施例，然而也可以使用用于维持两种燃料之间的压力偏差的其他技术。双燃料喷射器240与液体燃料轨道220和气体燃料轨道230流体地连接，并且可操作为将液体燃料和气体燃料分别独立地喷射到燃烧室中。在典型的实施例中，燃料喷射器240使用液体燃料作为用于致动喷射器的液压流体，并且因此液体燃料和气体燃料之间的压力偏差维持在用以操作燃料喷射器的预定范围内。尽管示出仅一个这样的燃料喷射器，但在其他实施例中可以存在有多个燃料喷射器。燃料喷射器240可以如本申请人共同所有的2002年1月8日授予Touchette等人的美国专利第6,336,598号中公开的双燃料喷射器一样，然而也可以使用其他类型的双燃料喷射器。电子控制器250与泵送设备120和150、切断阀200和燃料喷射器240可操作地连接以控制它们的操作来减少气体孔和液体孔中沉积物的积聚，这将在下文更详细地描述。
现在参照图3，对燃料喷射器240、特别是燃料喷射器的设置在燃烧室中的被称作喷嘴260的部分、进行更详细的描述。在所示实施例中，燃料喷射器240具有同心针式的布置，其包括阀体270、第一阀构件280和第二阀构件290。阀体270进一步包括用于容纳用于第一阀构件280和第二阀构件290的相应的致动器组件(未示出)的已知结构、以及用于接收相应的燃料并将其输送到阀体270的所示喷嘴部分的入口。阀体270在喷嘴处的形状通常为管状，并且阀体270包括形成在壁310中的气体燃料孔300。尽管在图3所示的横截面中仅代表性地示出了两个气体燃料孔300，但是熟悉该技术的技术人员可以理解通常存在绕喷嘴外周间隔开的多个气体燃料孔。呈空心针或套筒形式的第一阀构件280可被致动成在阀体270内往复运动。使第一阀构件280往复运动以打开以及关闭第一喷射阀320。当第一喷射阀320打开时，储存在空间330中的气体燃料经气体燃料孔300被引入到燃烧室340中。在所示的燃料喷射器中，空间330是形成于阀体270与第一阀构件280之间的环状腔。第二阀构件290、亦称作针、可被致动成在第一阀构件280的中空内部中往复运动，并且使第二阀构件往复运动以打开和关闭第二喷射阀350，进而经形成于第一阀构件的梢端壁370中的液体燃料孔360将液体燃料引入到燃烧室340中。尽管在图3所示的横截面中仅代表性地示出了两个液体燃料孔360，但熟悉该技术的技术人员可以理解可以存在绕喷嘴梢端的周边间隔开的多个液体燃料孔。当第二喷射阀350打开时，液体燃料从形成于第一阀构件280和第二阀构件290之间的环状空间380流出、穿过第二喷射阀350并经液体燃料孔360离开喷嘴260、进入燃烧室340内。第一阀构件280和第二阀构件290可以被电气地致动并使其直接借助磁性力移动，或者使用燃料喷射器技术中的技术人员已知的设备来液压地致动。在阀体270的远端和第一阀构件280的远端处的匹配配件390包括对置的相向表面，对置的相向表面允许第一阀构件在被致动时相对于阀体在打开和关闭位置之间移动。可替代地，匹配配件390可被称作前端间隙，指的是喷射器本体和阀构件之间的间隙。
当发动机110运转时，沉积物可以积聚在孔300和孔360中，并且这些沉积物引起穿过相应的喷嘴孔的气体燃料流动损失和液体燃料流动损失，从而导致发动机的扭矩损失。已开发若干技术来减轻沉积物的形成带来的影响，所述技术包括抑制沉积物形成的孔几何形状，以及使气体燃料和液体燃料的压力与温度完全适于去除沉积物和/或减少沉积物的形成，现将对这一点进行描述。如在本文中所使用的，沉积物(包括焦化物)减少是指去除孔300和/或孔360中的沉积物，以及/或者降低沉积物在这些孔中积聚的速率。
当喷射器240第一次运转时，其在初始的磨合期内经历流经应的孔300和孔360的气体燃料流动损失和液体燃料流动损失，这之后流动稳定下来。如在本文中所使用的，流动损失是指针对给定的穿过相应的孔300和孔360的喷射压力而言的气体燃料质量流率和液体燃料质量流率的降低。喷射压力在本文中定义为喷射阀上游的燃料压力与燃烧室中的压力的差异。通常，喷射阀上游的压力基本上等于燃料轨道中的压力。液体燃料喷射压力是液体燃料轨道220中的液体燃料压力和燃烧室340中的压力的差异，并且气体燃料喷射压力是气体燃料轨道230中的气体燃料压力与燃烧室中的压力的差异。在某些应用中，在初始的磨合期之后的质量流率的降低是可以接受的。然而，当流动损失减少时，特别是对于当发动机主要从气体燃料获得动力时的气体燃料流动损失而言，发动机110的扭矩性能得到改善。已经发现，通过缩短孔300和孔360的长度，这些孔中的流动损失减少。将表明沉积物的积聚高于孔300和孔360中任一者或者孔300和孔360两者的预定阈值的原有气体燃料孔的原有长度减少大致10％至50％显示出在统计学上流动损失显著减小并且扭矩性能得到改善。在不影响喷嘴260的结构稳定性和热完整性的情况下，这些孔的长度可以减少的程度是有限制的。在目前采用诸如燃料喷射器240的燃料喷射器的那些应用中，在喷嘴孔的长度减小的情况下，能够减少磨合流动损失并且改善扭矩性能。
参照图4和图5，气体燃料孔300’和液体燃料孔360’被示为具有根据第一实施例的抑制沉积物形成的几何形状。孔300’包括入口开口400和出口开口420，其中，气体燃料从腔室410进入入口开口400，并且气体燃料从出口开口420离开该孔进入燃烧室340中。开口400和开口420的表面与孔300’的纵向轴线430成直角。当孔300’的入口开口和出口开口不与纵向轴线430成直角时，开口400和420被限定为这些表面在与纵向轴线430成直角的平面上的投影。孔360’包括入口开口440和出口开口460，其中，液体燃料从腔室450进入入口开口440，并且液体燃料从出口开口460离开该孔进入燃烧室340中。开口440和开口460的表面与孔360’的纵向轴线470成直角。当孔360’的入口开口和出口开口不与纵向轴线470成直角时，开口440和开口460被限定为这些表面在与纵向轴线470成直角的平面上的投影。直径d1为入口开口400的直径，直径d2为出口开口420的直径，直径d1和直径d2选择为使得孔300’具有向内渐缩的轮廓。直径d1小于直径d2，使得在开口400和开口420之间延伸的线480和线490基本上呈线性并且相对于腔室410向外发散，并且腔室410和燃烧室340之间的横截面区域向外发散。直径d3是入口开口440的直径，直径d4是出口开口460的直径，并且直径d3和直径d4选择为使得孔360’具有向内渐缩的轮廓。直径d3小于直径d4，使得在开口440和开口460之间延伸的线500和线510基本上呈线性并且相对于腔室450向外发散，并且腔室450和燃烧室340之间的横截面区域向外发散。孔300’和孔360’的发散性质保护水力直径免受外部沉积物的影响，外部沉积物可能在燃料于燃烧室340中燃烧期间及之后经相应的出口开口420和出口开口460进入孔300’和孔360’。令人惊讶的是，当与图3的孔300相结合地利用孔360’时，在孔300中抑制了沉积物的形成。当孔300’和孔360’被结合起来使用时，进一步减少了沉积物的形成。d2与d1之间的第一直径差异大致在三(3)微米至五十(50)微米的范围内，并且更优选地大致在十五(15)微米至三十(30)微米的范围内。d4和d3之间的第二直径差异大致在三(3)微米至五十(50)微米的范围内，并且更优选地大致在十五(15)微米至三十(30)微米的范围内。
参照图6，现根据第二实施例论述减少孔口300、300’、360和360’中沉积物的积聚的方法。如在本文中所使用的，减少沉积物积聚可以指对已经在其中累积有沉积物的孔进行清洁(去除沉积物)，和/或限制沉积物在孔中的积聚。限制沉积物积聚可以指降低沉积物积聚的速率和/或将沉积物的积聚保持在预定水平以下，该预定水平可以指孔中的诸如焦化物层的沉积物层的厚度。在步骤600中，判断是否需要使沉积物减少。该种判断可能涉及采用模型来评估沉积物积聚的水平，并且当评估得到的水平达到预定值时，可以判定需要使沉积物减少。这样的模型可以接受发动机速度和发动机负荷作为输入并且生成每个发动机循环形成的沉积物的量，该量可以基于各个发动机循环进行集成以确定沉积物积聚的总水平。可替代地，可以利用计数器或计时器来分别对燃料喷射循环或所经过的发动机运转时间进行计数，并且当已经进行了预定数量的循环或预定量的时间时，可以判定需要使沉积物减少。在步骤610中，增加气体燃料和/或液体燃料的喷射压力，以减少、限制和/或去除相应的燃料孔(300、300’、360、360’)中的沉积物的形成。当要保持气体燃料和液体燃料之间的预定压差时，两种燃料的喷射压力可以一起增加，或者当双燃料喷射器在单一燃料模式下运行时，该单一燃料的喷射压力可以单独地增加。通过增加穿过相应孔的喷射压力，可以将沉积物吹出并使孔得以清洁。另外，当气体燃料喷射压力增加时，可以进一步抑制液体燃料的燃烧产物进入孔300、300’中，由此减少孔中的沉积物的进一步生成。
存在多种方式可以增加气体燃料和液体燃料的喷射压力。电子控制器250可以控制液体燃料泵送设备120和气体燃料泵送设备150来分别增加液体燃料压力和气体燃料压力，而燃料压力施偏设备140维持这两种燃料之间的压差偏差。液体燃料是不可压缩的流体，因此与作为可压缩流体的气体燃料相比，液体燃料的压力可以相对有效地增加。气体燃料因其可压缩的性质而需要耗费远远更多的能量和时间来将其压缩。因此，在轨道220和230中，液体燃料和气体燃料的压力可以增加的程度是有实际限制的，否则发动机110的燃料经济性开始受到显著影响。然而，用于压缩可压缩流体的技术不断发展和改进，并且增加液体燃料轨道220和气体燃料轨道230中的压力是用于增加液体燃料喷射压力和气体燃料喷射压力的优选技术。
燃料系统100和发动机110是高压直喷系统，其中液体燃料和气体燃料二者的燃料喷射正时通常开始于压缩冲程后期。例如，液体燃料喷射正时和气体燃料喷射正时可以在压缩冲程上止点前(BTDC)30度(°)之后开始。如本领域技术人员已知的，作为参考点，压缩冲程BTDC 180°是指活塞(未示出)位于下止点位置(BDC)的时刻并且压缩冲程BTDC 0°是指活塞位于上止点位置(TDC)的时刻。当活塞从BTDC 180°行进到BTD C0°时，由于燃烧室340中的容积减小，因此燃烧室340中的压力增加。当燃烧室压力与正常燃料喷射正时的情况下相比较低时，可以通过将液体燃料喷射和/或气体燃料喷射的正时提前来增加喷射压力。在示例性实施例中，液体燃料喷射正时可以提前至少20°且气体燃料喷射正时可以提前至少40°，但是正时的任何提前量都可以随着时间的推移具有有益的效果。在发动机110包括涡轮增压器或机械增压器(未示出)的那些实施例中，当发动机在没有增压的情况下运转时，喷射压力也可以增加，使得在进气冲程期间吸入燃烧室340的空气进气基本上处于大气压。另外，燃料喷射正时提前可以与在发动机映射的下述那些部分中进行操作结合使用--在这些部分中发动机110在没有增压的情况下运转，以进一步增加燃料喷射压力。
当发动机110包括与各自的燃烧室相关联的多个双燃料喷射器时，可以结合增加燃料喷射压力采用停缸以扩大任何特定燃烧室中的燃料喷射最佳时段，使得相应的孔300、300’、360、360’中的沉积物在更长的时间段内暴露于比正常燃料质量流量更高的燃料质量流量下，以增加沉积物被去除的可能性。停缸是跳过一个或多个燃烧室中的燃料的引入和其后的燃烧、相反将更大量的燃料引入另一燃烧室中使得发动机110消耗的燃料总量保持不变的技术。代替采用燃料来去除燃料喷射器240的燃料孔中的沉积物，可以在已经从相应的燃料轨道220和230中去除液体和/或气体燃料之后、在停机时使用压缩空气向孔吹气。压缩空气可以通过在每个发动机循环期间从燃烧室340排出一部分压缩空气而获得，或通过使用发动机制动系统空气来获得。
现参照图7和图8，根据第三实施例讨论减少孔口300、300’、360和360’中沉积物的积聚的设备和方法。通过调节气体燃料和/或液体燃料的温度，可以减少燃料喷射器240的喷嘴孔中沉积物的形成。在发动机110的发动机映射的被已知为燃烧室温度和/或燃料喷射器喷嘴温度高于预定温度的那些部分中，可以降低液体燃料和/或气体燃料的温度以降低喷嘴260的温度，从而抑制在孔中形成沉积物。液体是更好的热导体，优选地调整液体燃料温度以降低并且/或者控制喷嘴温度。在液体燃料既被用作燃料又被用作液压流体的双燃料喷射器中，可能的是，液体燃料可以经匹配配件流入气体燃料空间，使得液体燃料还可以冷却气体燃料流动通道和喷射器本体。然而，除了控制液体燃料温度之外也控制气体燃料温度是有利的。通过将超低温储存容器160中的液化气体燃料用作低温源，可以控制气体燃料和液体燃料二者的温度。
参照图7，在步骤700中，判定需要沉积物减少。该判定步骤可以包含过渡到发动机映射的一部分中以及在该部分中进行操作，其中在该部分中已知的是燃烧室温度增加到预定值以上，或者可以包含基于发动机参数和/或喷嘴(梢端)温度模型来评估燃料喷射器240的喷嘴温度。气体燃料喷射器喷嘴的示例性梢端温度模型公开于在2013年12月19日向Westport Power Inc.和GM Global Technology Operations LLC公布的、本申请人共同拥有的第WO2013/185234号国际专利出版物中。在步骤710中，调节(降低)气体燃料和/或液体燃料的温度，使得喷嘴260的温度降低，由此抑制沉积物的形成。
参照图8，燃料系统103示出了调节气体燃料和/或液体燃料的温度的技术。通过控制旁路热交换设备的发动机冷却剂的量，变流量阀设备520选择性地调节流至热交换设备170’的发动机冷却剂的流量，使得可以控制热交换设备下游的气体燃料的温度。类似地，通过控制旁路热交换设备的液体燃料的量，变流量阀设备530选择性地调节流至热交换设备170’的液体燃料的流量，使得可以控制变流量阀设备下游的液体燃料的温度。流体地连通到热交换设备170’的那部分液体燃料通过使用气体燃料作为低温源而被冷却，并该部分液体燃料随后返回至导管540，在导管540中其与直接从变流量阀设备530中流体地传送出来的任何液体燃料重新结合。热交换设备170’可以包括一个或多个热交换器，并且可以使用一种或多种热交换流体。
现根据第三实施例讨论减少沉积物的形成的设备和方法。在将特定类型的涂层施加到喷嘴260、第一阀构件280和/或第二阀构件290的情况下，已经观察到了沉积物的形成减少。疏水性涂层和疏油性涂层在被施加之后为双燃料喷射器240提供了不粘型保护层，该保护层抑制沉积物粘附到喷射器的喷嘴和阀构件上的能力。这种类型涂层的特别有效的类别是氟硅烷基涂层，因为氟硅烷基涂层除了对溶剂、酸和碱具有相对高的耐受性之外，还具有优异的疏水性质和疏油性质，这在气体燃料和液体燃料的应用中是有利的。
促进有益效果的催化涂层可用于减少沉积物的形成。第一种类型的催化涂层一旦形成就能促进沉积物的燃烧，从而减少并且优选地防止沉积物的积聚。包括氧化铈和/或其他镧系元素的氧化物、过渡金属的氧化物和/或过渡金属的催化涂层特别适于促进沉积物与燃烧室气体进行化学反应，并且特别地与进气中的氧进行化学反应。这种类型的涂层在被施加到喷嘴260的位于孔300附近的外表面以及第一阀构件280的位于孔360附近的外表面以减少这些孔的开口周围的沉积物形成时有效。沉积物的燃烧增加了本地附近的温度，燃料孔300和360内的温度的增加以及在阀体270内的阀构件上的温度的增加通常不是优选的。
第二种类型的催化涂层可以促进在喷嘴260的表面、第一阀构件280的表面和/或第二阀构件290的表面上形成多孔沉积物结构。不同于在没有这种类型的涂层的情况下形成的沉积物生成物，多孔沉积物结构可以通过分别流经燃料孔300和燃料孔360的气体燃料流和液体燃料流而分解。该第二种类型的催化涂层是多相的微结构，其中一个或多个相用作为具有形成碳沉积物的较高的趋势的沉积物成核位点，并且促进多孔沉积物结构的形成。这种类型的涂层也优选地被用在喷嘴260的位于孔300附近的外表面上以及第一阀构件280的位于孔360附近的外表面上，以减少这些孔的开口周围的沉积物形成。只要这种涂层基本上不干扰流经这些孔的燃料流，这种涂层也可以施加在这些孔中的表面上。用于第一种类型的催化涂层的相同类型的涂层可以以不同组合用于第二种类型的催化涂层，以促进形成多孔结构，而不是通过燃烧来消耗沉积物。本文所公开的涂层可以通过物理气相沉积或化学气相沉积的方式施加于双燃料喷射器240。上文讨论的涂层可以施加于任何类型的燃料喷射器，包括单燃料喷射器以及双燃料喷射器，并且这样的喷射器可以为液压致动的或机电致动的。
现根据第四实施例讨论减少沉积物生成物的设备和方法。作为氟硅烷涂层的替代方案，或者除了氟硅烷涂层之外，喷嘴260的表面、阀构件280的表面和阀构件290的表面可以形成有表面图案，该表面图案的特征在于小到足以降低沉积物贴附到位于下面的表面的能力的一系列特征，使得沉积物由流经孔300和孔360的燃料流冲走。表面图案可以通过激光和光刻(包括电子束光刻)以及用化学方法形成图案和化学蚀刻来形成。形成表面图案的示例性技术是使得表面特征能够处于10纳米至100纳米数量级的飞秒激光纳米加工。具有这种尺寸的特征的表面图案表现出优异的疏水特性和疏油特性。表面图案可以包括一系列高出的尖顶状、一系列高出的多边形——优选地规则的多边形、以及其他图案。可以使用表面纳米加工以去除促进沉积物贴附的表面不规则性。本文所公开的表面图案化技术可以应用于任何类型的燃料喷射器。
作为上述技术的替代方案，或者除了上述技术之外，沉积物控制添加剂、如清洁剂、可以与引燃燃料和/或气体燃料混合。令人惊讶的是，当沉积物控制添加剂仅与引燃燃料混合时，发现除了液体燃料孔360中的沉积物减少之外，形成于气体燃料孔300中的沉积物也得以减少。这些添加剂起到减少沉积物的形成和/或去除现有沉积物生成物的作用。
参照图1，曲线20表示当使用上文所述的沉积物减少技术中的至少一者时的发动机110的扭矩曲线。扭矩曲线20的磨合期为时间T2，并且在磨合期后可用的最大扭矩为扭矩TR2。如图1所示，曲线20的磨合期(时间T2)小于曲线10的磨合期(时间T1)，并且曲线20的磨合期后可用的最大扭矩(扭矩TR2)大于曲线10的磨合期后可用的最大扭矩(扭矩TR1)。在时间T2之后，使用本文所描述的至少一种沉积物减少技术，以将为TR2的发动机110的最大可用扭矩维持在预定的容差范围内。
尽管已经示出和描述了本发明的特定元件、实施例和应用，但应当理解，本发明不限于此，因为本领域技术人员、特别地根据上述教导、可以对本发明进行修改而不脱离本公开内容的范围。

Claims (27)

1.一种使双燃料喷射器的沉积物减少的方法，所述双燃料喷射器将气体燃料经气体燃料孔直接引入燃烧室并将液体燃料经液体燃料孔直接引入内燃发动机的所述燃烧室，所述方法包括以下至少一者：
a)将所述液体燃料孔的长度减少显示出沉积物的积聚高于预定阈值的原有液体燃料孔的原有长度的10％至50％；
b)使所述液体燃料孔具有向内地且大致线性地渐缩的轮廓；
c)判定需要沉积物减少；并且
执行以下使沉积物减少的技术中的至少一者：
i)增加液体燃料喷射压力，由此使得在燃料喷射期间沉积物的积聚得以减少；以及
ii)降低液体燃料温度，由此使得沉积物积聚的速率得以降低；
其中，所述液体燃料孔和所述气体燃料孔中至少一者中的沉积物的积聚减少至预定水平以下。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括将所述液体燃料孔的液体燃料孔出口开口直径与液体燃料孔入口开口直径之间的差异设置为介于3微米至50微米之间。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括增加从所述液体燃料到所述气体燃料的热传递，其中液体燃料温度降低。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液体燃料是柴油。
5.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括将所述液体燃料与添加剂混合，使得所述气体燃料孔中的沉积物的积聚得以减少。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括通过将所述液体燃料和所述气体燃料中至少一者的燃料喷射正时提前来增加喷射压力。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，将所述液体燃料的燃料喷射正时提前至少20度的曲柄转角角度。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
a)将所述气体燃料孔的长度减少显示出沉积物的积聚高于预定阈值的原有气体燃料孔的原有长度的10％至50％；
b)使所述气体燃料孔具有向内地且大致线性地渐缩的轮廓；
c)判定需要沉积物减少；并且
执行以下使沉积物减少的技术中的至少一者：
i)增加气体燃料喷射压力，由此使得在燃料喷射期间沉积物的积聚得以减少；以及
ii)降低气体燃料温度，由此使得沉积物积聚的速率得以降低；以及
d)在将所述气体燃料从气体燃料轨道移除以后，在所述内燃发动机停机期间，喷射压缩空气穿过所述气体燃料孔；
其中，因所述气体燃料孔中的沉积物积聚而引起的所述内燃发动机中的扭矩损失降低到预定值以下。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括将所述气体燃料孔的出口开口直径与入口开口直径之间的差异设置为介于3微米至50微米之间。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，沉积物减少的判定包括以下至少一者：
a)评估沉积物积聚水平；并且
当所评估的沉积物积聚水平高于预定值时，判定需要沉积物减少；
b)对发动机循环数进行计数；并且
当所述发动机循环数大于预定值时，判定需要沉积物减少；以及
c)对所经时间量进行计时；并且
当所述所经时间量大于预定值时，判定需要沉积物减少。
11.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括通过将所述气体燃料的燃料喷射正时提前来增加喷射压力。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述气体燃料的燃料喷射正时提前至少40度的曲柄转角角度。
13.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括当所述内燃发动机在没有增压的情况下运转时将所述气体燃料的燃料喷射正时提前。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述双燃料喷射器是与所述内燃发动机中相应的燃烧室相关联的多个双燃料喷射器中的一个，所述方法还包括使一个或多个燃烧室停缸并增加其余燃烧室的燃料供给，其中燃料供给总量保持不变。
15.根据权利要求8所述的方法，其中，所述沉积物减少的判定包括以下至少一者：
在所述内燃发动机的发动机映射中的燃烧室温度升高到预定值以上的部分中进行操作；以及
评估所述双燃料喷射器的喷嘴温度高于预定值。
16.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括减少所述内燃发动机的发动机冷却剂与所述气体燃料之间的热传递，其中气体燃料温度降低。
17.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括捕集来自所述内燃发动机的燃烧室的压缩空气。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，所述内燃发动机处于发动机制动模式。
19.根据权利要求8所述的方法，其中，所述气体燃料是天然气。
20.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括用涂层涂覆喷嘴、喷嘴孔和阀构件中至少一者，所述涂层为以下至少一者：
a)氟硅烷基涂层；
b)包含氧化铈、镧系元素氧化物、过渡金属和过渡金属氧化物中至少一者的催化涂层；以及
c)包含促进形成多孔结构的沉积物成核位点的催化涂层。
21.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括使用飞秒激光对喷嘴、喷嘴孔和阀构件中的至少一者进行表面图案化。
22.根据权利要求8所述的方法，其中，所述双燃料喷射器被液压地致动，所述方法进一步包括将液压流体与添加剂混合，使得所述气体燃料孔中的沉积物的积聚得以减少。
23.一种用于将气体燃料直接引入燃烧室并将液体燃料直接引入内燃发动机的所述燃烧室的双燃料喷射器，所述双燃料喷射器包括：
液体燃料喷射阀；
液体燃料孔，所述液体燃料孔在所述液体燃料喷射阀下游的第二室与所述双燃料喷射器的外侧之间延伸；
其特征在于以下沉积物减少特征中的至少一者：
将所述液体燃料孔的长度减少原有液体燃料孔长度的10％至50％；以及
所述液体燃料孔包括向内地且大致线性地渐缩的轮廓；
其中，所述液体燃料孔和所述气体燃料孔中至少一者中的沉积物的积聚减少到预定水平以下。
24.根据权利要求23所述的双燃料喷射器，其中，液体燃料孔出口开口直径与液体燃料孔入口开口直径之间的差异介于3微米至50微米之间。
25.根据权利要求23所述的双燃料喷射器，所述双燃料喷射器进一步包括：
气体燃料喷射阀；
气体燃料孔，所述气体燃料孔在所述气体燃料喷射阀下游的第一室与所述双燃料喷射器的外侧之间延伸；所述气体燃料孔具有以下沉积物减少特征中的至少一者：
将所述气体燃料孔的长度减少显示出沉积物的积聚高于预定阈值的原有气体燃料孔的原有长度的10％至50％；以及
所述气体燃料孔包括向内地且大致线性地渐缩的轮廓；
其中，因所述气体燃料孔中沉积物的积聚而引起的所述内燃发动机中的扭矩损失降低到预定值以下。
26.根据权利要求25所述的双燃料喷射器，其中，所述双燃料喷射器的外侧位于所述内燃发动机的所述燃烧室的内部。
27.根据权利要求25所述的双燃料喷射器，其中，所述气体燃料孔的出口开口直径与入口开口直径之间的差异介于3微米至50微米之间。
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